3D打印技術(shù)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)損傷治療中的應(yīng)用

王立人 燕曉宇 趙金忠 彭曉春 張曉彬

近年來(lái)我國(guó)運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率逐年增加［1-3］。嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)損傷（如跟腱斷裂、前交叉韌帶斷裂等）會(huì)嚴(yán)重限制患者的運(yùn)動(dòng)功能，通常需手術(shù)治療。這不僅嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，還給社會(huì)造成沉重負(fù)擔(dān)。目前，一些運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷的治療方法無(wú)法使患者達(dá)到生理性愈合，導(dǎo)致其部分運(yùn)動(dòng)功能永久性受損，處理這一臨床難題仍亟待新的治療方法。

基于再生醫(yī)學(xué)概念的3D打印組織工程技術(shù)為嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)損傷患者提供了治療可能。3D打印技術(shù)因其能精確制備支架和有效控制細(xì)胞分布被廣泛應(yīng)用于組織再生［4-5］。3D打印技術(shù)結(jié)合生物材料的使用可為運(yùn)動(dòng)損傷患者提供個(gè)性化精準(zhǔn)制備的修復(fù)支架，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的完美康復(fù)。生物3D打印技術(shù)的精度為10～10 000μm，相比于其他支架制造方式更具靈活性［5-6］。本文針對(duì)3D打印技術(shù)在治療運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 3D打印人工骨

骨組織在損傷后具有很強(qiáng)的再生能力，但大面積骨缺損和骨折缺乏血供時(shí)常發(fā)生骨不愈合或骨壞死，其治療極其困難，尚缺乏有效的修復(fù)材料。3D打印的個(gè)性化人工骨可促進(jìn)骨組織再生，符合臨床需求，在大面積骨缺損修復(fù)中具有很好的應(yīng)用前景［7］。Park等［8］以聚己內(nèi)酯（PCL）混合β-磷酸三鈣（TCP）為原料打印骨修復(fù)支架，應(yīng)用于比格犬模型，成功修復(fù)下頜角骨缺損，并在組織學(xué)上觀察到連續(xù)的新骨組織形成。因目前常用的可降解和可誘導(dǎo)骨修復(fù)材料（PCL、聚乳酸和聚氨酯等）不能完全解決大面積骨壞死的難題，Deng等［9］通過(guò)硅酸鈣加載β-TCP制作支架與內(nèi)皮細(xì)胞及間充質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)，在裸鼠皮下模型中觀察到快速血管化和再生組織形成，并發(fā)現(xiàn)血管浸潤(rùn)和異位成骨。這表明支架中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）參與了新生血管形成。Yang等［10］通過(guò)3D打印技術(shù)以聚乳酸-共乙二醇、季銨化殼聚糖和羥磷灰石構(gòu)建新型抗菌骨修復(fù)支架。該支架的抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量介于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，將其分別植入大鼠皮質(zhì)骨和兔松質(zhì)骨的感染缺損模型，8周后可觀察到明顯的骨量增加。

盡管3D打印人工骨支架的研究已取得顯著進(jìn)展，但仍有部分關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決。第一，血供。大面積骨缺損修復(fù)時(shí)，如果沒(méi)有充分的血供，新生骨組織將無(wú)法獲得足夠營(yíng)養(yǎng)并排出代謝產(chǎn)物，骨缺損中心部分必然無(wú)法形成生理性愈合，遠(yuǎn)期會(huì)形成骨組織結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。第二，承重能力。目前的研究已證實(shí)3D打印人工骨在小動(dòng)物非承重骨上能有效促進(jìn)骨再生，但尚無(wú)應(yīng)用于大動(dòng)物長(zhǎng)骨修復(fù)的研究報(bào)道。第三，力學(xué)性能。3D打印人工骨的拉伸和壓縮性能較正常骨組織仍有明顯差異，其植入體內(nèi)后易形成應(yīng)力遮擋，影響骨再生效果。3D打印人工骨未來(lái)的研究重點(diǎn)是構(gòu)建具有以下特性的帶血管人工骨：①力學(xué)性能良好；②支架降解全程中均能維持力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；③具有抗感染能力［11］。

2 3D打印肌腱

肌腱是致密的纖維結(jié)締組織，它連接彈性模量分別為200 Mpa和20 Gpa的肌肉與骨組織，是運(yùn)動(dòng)損傷最好發(fā)的部位［12-13］。肌腱細(xì)胞是高度分化細(xì)胞，肌腱組織致密且缺乏血供，故肌腱損傷難以自愈，常導(dǎo)致患者運(yùn)動(dòng)功能受限［14］，而3D打印技術(shù)則能契合肌腱損傷后再生修復(fù)的需求。為了更好地促進(jìn)肌腱組織再生，Wu等［15］利用電流體動(dòng)力噴墨打印技術(shù)構(gòu)建纖維支架。與傳統(tǒng)電紡支架相比，該支架能更好地促進(jìn)人肌腱細(xì)胞的胞內(nèi)代謝，并能通過(guò)預(yù)設(shè)的定向結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)肌腱細(xì)胞呈定向排列，促進(jìn)Ⅰ型膠原產(chǎn)生。進(jìn)一步研究表明，支架的各向異性可影響細(xì)胞形態(tài)學(xué)，能有效促進(jìn)肌腱生成基因的表達(dá)；在支架降解的幾何信號(hào)和力學(xué)性能改變的過(guò)程中，3D打印支架相比于傳統(tǒng)電紡支架能更好地平衡支架降解與組織再生過(guò)程［16］。Merceron等［17］針對(duì)傳統(tǒng)組織工程技術(shù)無(wú)法重塑肌腱-肌肉這類(lèi)復(fù)雜交界面的難題，設(shè)計(jì)了肌肉-肌腱單元的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)修復(fù)損傷。該設(shè)計(jì)理論上可恢復(fù)力學(xué)的無(wú)瑕傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)肌腱-肌肉交界區(qū)的生理性愈合。

近年來(lái)3D打印肌腱的研究進(jìn)展迅速，但目前仍存在兩大問(wèn)題。第一，支架力學(xué)性能不足。3D打印肌腱的支架與正常肌腱組織的力學(xué)性能仍存在明顯區(qū)別，支架的拉伸和回彈性能均不足，無(wú)法充分誘導(dǎo)組織再生。第二，支架誘導(dǎo)性能不足。目前3D打印肌腱的研究?jī)H見(jiàn)體外實(shí)驗(yàn)報(bào)道，未見(jiàn)相關(guān)動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道。理想的3D打印肌腱產(chǎn)品應(yīng)由可誘導(dǎo)、可吸收的材料構(gòu)成，應(yīng)能促進(jìn)交界面形成生理性愈合和移植物本身肌腱化，并能在降解全程中保持力學(xué)性能的穩(wěn)定［18］。

3 3D打印骨骼肌

骨骼肌占成年人體質(zhì)量的40%～45%，通過(guò)產(chǎn)生收縮力進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。大面積骨骼肌缺損常形成瘢痕愈合，使其力學(xué)性能?chē)?yán)重受損，導(dǎo)致患者肢體功能不全。通過(guò)3D打印構(gòu)建的骨骼肌支架，理論上可完美填充缺損空間，促進(jìn)肌肉再生。Chen等［19］通過(guò)控制支架的微溝槽大小和細(xì)胞種植濃度，篩選出最適合細(xì)胞生長(zhǎng)和再生基因表達(dá)的支架物理參數(shù)，通過(guò)打印曲向結(jié)構(gòu)和多層肌束組織的方式構(gòu)建一種新型多孔膠原支架。Kim等［20］通過(guò)調(diào)控膠原／PCL比例構(gòu)建沿支架單向排列的微打印拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型支架，與傳統(tǒng)膠原支架相比，該支架能更有效地誘導(dǎo)肌肉蛋白重鏈和肌肉再生相關(guān)基因的表達(dá)。肌肉組織的生理性再生不僅要求有一定的肌肉纖維再生數(shù)量，更重要的是肌肉組織的再神經(jīng)化和肌肉纖維需恢復(fù)對(duì)電刺激的反應(yīng)性。Kang等［21］應(yīng)用整體組織器官打印技術(shù)以PCL為支架材料構(gòu)建負(fù)載成肌細(xì)胞的小鼠3D打印肌肉支架（15 mm×5 mm×1 mm），并通過(guò)移植腘外側(cè)神經(jīng)促進(jìn)支架神經(jīng)化。將該支架移植入裸鼠皮下2周后，其恢復(fù)了對(duì)電刺激的反應(yīng)力，而未移植神經(jīng)的3D打印肌肉支架則未恢復(fù)反應(yīng)力。

3D打印骨骼肌支架仍存在以下問(wèn)題：①支架誘導(dǎo)性能不足。3D打印骨骼肌的相關(guān)研究以體外組織工程實(shí)驗(yàn)為主，鮮有動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，無(wú)法證明其誘導(dǎo)性能。②再生組織的血管化和神經(jīng)化困難。骨骼肌需行使主動(dòng)收縮功能，這對(duì)再生組織的血管化和神經(jīng)化以及肌纖維結(jié)構(gòu)都有更高的要求，對(duì)支架材料的誘導(dǎo)性和降解性也要求更高［21］。利用3D打印技術(shù)，構(gòu)建生理性細(xì)胞外基質(zhì)，從而促進(jìn)成肌細(xì)胞的定植和增殖，并預(yù)留血管化和神經(jīng)化的通道，促進(jìn)再生組織恢復(fù)生理性收縮功能，是3D打印骨骼肌研究亟待攻克的目標(biāo)［18］。

4 3D打印半月板

半月板根據(jù)區(qū)域血供可分為3個(gè)區(qū)：紅區(qū)、紅-白區(qū)和白區(qū)。半月板白區(qū)的血管數(shù)量少，損傷后常延期不愈，在關(guān)節(jié)內(nèi)作為異物持續(xù)產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，常導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨過(guò)早退變和關(guān)節(jié)炎提早發(fā)生。3D打印技術(shù)構(gòu)建的組織工程支架可恢復(fù)損傷半月板的力學(xué)支撐作用，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常功能。Bahcecioglu等［22］以PCL為支架，混入瓊脂糖和明膠甲基丙烯酸酯模擬半月板內(nèi)外側(cè)纖維和軟骨的交界面。將該支架與纖維軟骨細(xì)胞共培養(yǎng)8周后，可見(jiàn)粘多糖和膠原含量明顯增多；經(jīng)動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激后，支架的Ⅰ型和Ⅱ型膠原含量明顯增加。該支架的構(gòu)建為全半月板置換提供了可能。Zhang等［23］采用間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）定植的3D打印PCL半月板支架進(jìn)行兔全半月板置換實(shí)驗(yàn)。術(shù)后24周可見(jiàn)種植MSC的支架較無(wú)細(xì)胞支架在大體觀、組織學(xué)等方面均有更優(yōu)良的表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)該支架能明顯抑制脛骨-股骨交界面的軟骨退化。Lee等［24］將能局部釋放結(jié)締組織生長(zhǎng)因子和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子的3D打印半月板支架用于羊半月板置換實(shí)驗(yàn)，術(shù)后12周觀察到Ⅰ型膠原和Ⅱ型膠原明顯再生；同時(shí)，再生半月板的瞬時(shí)模量、松弛模量和黏滯系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到正常半月板的水平。

3D打印組織工程半月板已在大型動(dòng)物的半月板修復(fù)模型中成功應(yīng)用，但仍有以下問(wèn)題待解決：①3D打印組織工程半月板尚無(wú)法恢復(fù)半月板-股骨／脛骨接觸面的生理性結(jié)構(gòu)，支架降解會(huì)導(dǎo)致接觸面軟骨退變；②支架誘導(dǎo)再生的半月板與正常半月板的力學(xué)性能仍有差異。利用力學(xué)性能和生物相容性良好的支架材料構(gòu)建可促進(jìn)移植物與周?chē)M織形成生理性愈合的半月板，是該領(lǐng)域下一步研究的重點(diǎn)［18］。

5 3D打印軟骨

關(guān)節(jié)軟骨缺乏血供，損傷后難以自愈，導(dǎo)致患者關(guān)節(jié)功能受損。3D打印軟骨組織可個(gè)性化構(gòu)建貼合軟骨缺損的支架，為軟骨缺損患者帶來(lái)治愈的希望。Guo等［25］將蛋白聚糖和聚L-丙交酯-己內(nèi)酯（PLCL）交聯(lián)后打印成3D支架，聯(lián)合微骨折術(shù)應(yīng)用于兔軟骨缺損治療。術(shù)后8周，光學(xué)相干斷層掃描圖像和組織學(xué)檢查顯示，軟骨再生量明顯增加，Ⅱ型膠原含量明顯恢復(fù)。Dang等［26］利用負(fù)載鉬的生物陶瓷治療兔軟骨-骨復(fù)合缺損，術(shù)后12周見(jiàn)缺損部位的骨、軟骨和透明質(zhì)酸形成；同時(shí)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MoO42-通過(guò)低氧誘導(dǎo)因子-1α信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路能有效促進(jìn)合成代謝，抑制分解代謝，促進(jìn)軟骨生成。Di Bella等［27］發(fā)明了手持3D打印工具，該工具能以水凝膠和干細(xì)胞為墨水，打印用于大動(dòng)物軟骨缺損修復(fù)的支架。將該支架應(yīng)用于羊軟骨損傷模型中，取得比微骨折手術(shù)更好的修復(fù)效果。

3D打印軟骨支架的研究近年來(lái)取得顯著進(jìn)展，能有效誘導(dǎo)軟骨再生，其目前存在的問(wèn)題如下：①即使在小型動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校Ъ茉偕能浌菙?shù)量和透明質(zhì)酸含量較正常軟骨仍有明顯差異［25］。②依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，即使利用精度最高的核磁共振成像技術(shù)和3D打印設(shè)備構(gòu)建的3D支架也無(wú)法完美貼合軟骨缺損。闡明軟骨再生機(jī)制，尋找合適的可降解、可誘導(dǎo)再生的材料來(lái)促進(jìn)軟骨修復(fù)，是未來(lái)該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［18］。

6 展望

3D打印技術(shù)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，部分打印結(jié)構(gòu)如半月板、軟骨已在大動(dòng)物模型上實(shí)現(xiàn)了部分再生，其進(jìn)展令人矚目。生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷實(shí)現(xiàn)快速和生理性康復(fù)在理論上提供了可能，但迄今尚無(wú)3D打印修復(fù)產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展臨床試驗(yàn)的研究報(bào)道。構(gòu)建個(gè)性化支架結(jié)構(gòu)，平衡材料降解和組織再生的力學(xué)支撐能力，促進(jìn)再生組織血管化和神經(jīng)化，是生物3D打印技術(shù)修復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷未來(lái)的研究重點(diǎn)。隨著組織再生機(jī)制進(jìn)一步闡明和3D打印技術(shù)不斷進(jìn)步，3D打印仿生產(chǎn)品的精準(zhǔn)性和仿生性?xún)?yōu)勢(shì)將越來(lái)越突出，有望為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷患者帶來(lái)更大福音。